高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器傳熱管聲脈沖與超聲脈沖檢測(cè)技術(shù)研究

袁驪 肖鎮(zhèn)官 祁攀 吳磊

【摘 要】高溫氣冷堆示范工程蒸汽發(fā)生器傳熱管在選用材料、尺寸規(guī)格、結(jié)構(gòu)形式、制造工藝及布置形式與傳統(tǒng)壓水堆核電站均不同。相比傳統(tǒng)壓水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管采用的U型管結(jié)構(gòu)，高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器傳熱管采用的是螺旋盤管結(jié)構(gòu)，具有換熱效果好、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。但因現(xiàn)階段對(duì)這類結(jié)構(gòu)的傳熱管尚無(wú)較為成熟的檢驗(yàn)技術(shù)，為尋找螺旋盤管檢測(cè)的可行性技術(shù)，本文引用了聲脈沖與超聲脈沖檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行可行性分析。

【關(guān)鍵詞】聲脈沖；超聲脈沖；高溫氣冷堆；螺旋盤管

中圖分類號(hào)： TL364.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）16-0039-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.017

【Abstract】The steam generator tube in high temperature reactor-pebblebed modules is different in selecting material，size specification，structure form，manufacturing process and layout form and traditional PWR nuclear power plant.The U-Tube structure is used in the traditional PWR，but the heat transfer effect is good and the structure is compact，so the high temperature reactor-pebblebed modules adopt spiral tube disk structure.There is no mature inspection technology at this stage.In order to find the feasible technology of spiral tube，the feasibility analysis of APR and UPR technology is presnted in this paper.

【Key words】Acoustic Pulsed Reflection；Ultrasonic Pulsed Reflection；High Temperature Reactor；Helically-tube

0 引言

高溫氣冷堆是國(guó)際核能界公認(rèn)的一種具有良好安全特性的堆型，代表第四代先進(jìn)核能技術(shù)特征的先進(jìn)堆型，具有固有安全性、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、小型模塊化、發(fā)電效率高、應(yīng)用途徑廣等特點(diǎn)?？紤]到換熱效果好、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器傳熱管采用的是螺旋盤管結(jié)構(gòu)。傳熱管是由兩種不同的不銹鋼材料（鐵磁性管材T22和非鐵磁性材料Incoloy800H）焊接而成，然后被繞成螺旋狀，出口連接管和入水連接管部分為異形彎折結(jié)構(gòu)，這種特殊的結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)施在役檢查增加了很大的難度。

常規(guī)壓水堆的U型傳熱管使用內(nèi)穿過(guò)式渦流Bobbin探頭能完成全管的檢查，但由于高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器傳熱管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)施渦流檢測(cè)的難度較大，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）傳熱管規(guī)格為？19×3mm，總長(zhǎng)度約70米，且中間還存在三條焊縫，增加了渦流探頭的通過(guò)難度；（2）由于是鐵磁性和非鐵磁性管材的異種金屬對(duì)接焊，在外部檢查無(wú)可能性的情況下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳熱管的檢查覆蓋，則必須從內(nèi)部對(duì)整個(gè)傳熱管分別進(jìn)行局部磁化，而這一點(diǎn)目前也是難以做到的；另外，對(duì)于此類異種金屬，較大的結(jié)構(gòu)信號(hào)也會(huì)使得缺陷信號(hào)受到干擾或淹沒。

為探索高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器傳熱管檢測(cè)的可行性，引用了基于聲脈沖反射法（Acoustic Pulsed Reflection，以下簡(jiǎn)稱APR）與超聲脈沖反射法（Ultrasonic Pulsed Reflection，以下簡(jiǎn)稱UPR）的兩種檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行可行性分析。

1 檢測(cè)技術(shù)介紹

APR是將一個(gè)聲脈沖注入管內(nèi)的空氣中，隨后脈沖會(huì)軸向傳播。橫截面的任何變化（無(wú)論是壁損還是堵塞造成）都會(huì)引起回波，被反射回來(lái)。這些反射會(huì)被測(cè)量并分析。這項(xiàng)非穿插式技術(shù)檢測(cè)速度極快，并已成功得到運(yùn)用。然而，它只能用于檢測(cè)內(nèi)徑缺陷。

UPR是通過(guò)一系列放入管內(nèi)部的干耦合換能器向管壁發(fā)射超聲波。和APR一樣，都是非穿插式高速檢測(cè)。UPR技術(shù)可檢測(cè)鐵磁性和非鐵磁性材料；可檢測(cè)內(nèi)徑與外徑缺陷，如：穿孔、堵塞、裂紋、凸起、壁厚損失、侵蝕、腐蝕、凹坑；不受管子形狀影響，如U型、S型、旋擰、翅片、螺旋等。因此對(duì)于這兩種技術(shù)的結(jié)合，可擴(kuò)展對(duì)于管道檢測(cè)中不同類型的缺陷。APR 和UPR兩種技術(shù)的性能比較見表1。

基于這兩種檢測(cè)技術(shù)的探頭激勵(lì)方式均在管端，無(wú)需進(jìn)行內(nèi)插式的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，從而減小了對(duì)于推動(dòng)裝置與探頭結(jié)構(gòu)的嚴(yán)苛設(shè)計(jì)要求。

現(xiàn)在具備這兩技術(shù)的設(shè)備有兩種，分別是基于APR的Dolphin G3設(shè)備和基于APR和UPR兩種技術(shù)的AcousticEyes DUETTM設(shè)備。DolphinG3設(shè)備原理示意圖見圖1，AcousticEyes DUETTM設(shè)備原理圖見圖2。

2 檢測(cè)技術(shù)分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)傷對(duì)比樣管制備

采用與高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器傳熱管相同的材料（T22）制作兩根帶有標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷的樣管，規(guī)格均為φ19×3mm。其中1#樣管為螺旋盤管，2#樣管為直管，兩根樣管的標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷詳見表2和表3。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

分別使用基于APR的Dolphin G3設(shè)備和基于APR和UPR兩種技術(shù)的AcousticEye's DUET？設(shè)備對(duì)1#和2#樣管實(shí)施檢測(cè)。試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)備及軟件需要根據(jù)管材的尺寸、管材的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、管材編號(hào)以及檢測(cè)相關(guān)要求參數(shù)，如激勵(lì)場(chǎng)強(qiáng)、硬件增益、脈沖寬度、垂直放大、采樣次數(shù)、底波抑制等，完成相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 G3設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果

圖3為G3設(shè)備檢測(cè)1#樣管的情況，從信號(hào)圖中可以看到樣管首信號(hào)和管尾信號(hào)很明顯，通過(guò)管尾信號(hào)對(duì)應(yīng)的位置即為螺旋管伸展長(zhǎng)度2m的位置，位置偏差較小。同時(shí)，可以測(cè)得彎管距管首距離為1.34m，通孔當(dāng)量測(cè)得的直徑為4mm，而加工的直徑為4.8mm，所以定量的精度還是存在偏差。

由于G3設(shè)備僅使用APR技術(shù)，可以檢測(cè)出1#和2#樣管中的穿透性的孔和槽，但對(duì)于缺陷的定量準(zhǔn)確性很差，而且對(duì)于穿透性缺陷都以通孔為當(dāng)量來(lái)處理，因此定量的偏差較大。

2.3.2 DUETTM設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果

由于DUETTM設(shè)備的探頭同時(shí)兼有APR功能和UPR功能，因此對(duì)2#樣管上的12個(gè)人工缺陷均能檢測(cè)出來(lái)，以2#樣管上第6和第11號(hào)缺陷為例，圖4是部分缺陷檢測(cè)信號(hào)圖，但是在缺陷深度的定量方面還存在一定的偏差，定量偏差見圖5。

2.3.3 試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)分析

針對(duì)兩種技術(shù)的比對(duì)試驗(yàn)，可以看到單一聲脈沖反射法（APR）只對(duì)通透性缺陷具有較高的檢測(cè)靈敏度，而針對(duì)非穿透性的裂紋和孔均無(wú)檢出能力，這與該技術(shù)本身的特點(diǎn)有關(guān)，它是在具有截面差的情況下才能檢出缺陷；APR技術(shù)對(duì)于管材（如：U型管，螺旋管）形狀的影響不大；對(duì)裂紋等體積效應(yīng)較小缺陷是無(wú)法檢出的。

超聲導(dǎo)波反射法（UPR）對(duì)裂紋、點(diǎn)蝕和凹坑等缺陷具有較高的檢測(cè)靈敏度，但不能區(qū)分缺陷在外壁和內(nèi)壁的位置；對(duì)穿孔信號(hào)的檢測(cè)能力一般；對(duì)堵塞和內(nèi)部突起是無(wú)法檢測(cè)的。

采用UPR與APR組合的技術(shù)，能夠保證管道內(nèi)部和管道壁本身缺陷的檢出，且缺陷定位的準(zhǔn)確性較高，但由于缺陷深度定量均是軟件自動(dòng)測(cè)量的結(jié)果，偏差較大，準(zhǔn)確度不高。

3 結(jié)論

聲脈沖反射法（ARP）和超聲脈沖反射法（UPR）檢測(cè)技術(shù)均是非穿插式高速檢測(cè)方法，兩種方法結(jié)合使用可檢測(cè)外徑磨損、內(nèi)外徑點(diǎn)蝕等缺陷，不受管子形狀和材質(zhì)影響。該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于高溫氣冷堆示范工程蒸汽發(fā)生器傳熱管具有一定的可行性，但限于現(xiàn)有技術(shù)條件，尚需要解決幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：a）提高有效檢測(cè)距離（理論距離40米）；b）提高焊縫檢測(cè)區(qū)域缺陷的檢測(cè)靈敏度；c）提高在支撐結(jié)構(gòu)下的缺陷檢測(cè)分辨率；d）提高定量準(zhǔn)確度。

【參考文獻(xiàn)】

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